松嫩平原西部景觀自然性評(píng)價(jià)及動(dòng)態(tài)變化

林奕伶, 馬長(zhǎng)迪, 劉吉平

(吉林師范大學(xué) 資源保護(hù)與利用研究所, 吉林 四平 136000)

目前，對(duì)“自然性”這一概念還沒(méi)有明確的定義，可將其理解為未受人類干擾的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，也可理解為當(dāng)前狀態(tài)與原始狀態(tài)的差異[1]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)“自然性”這一特性已開展了部分研究，如馮澤深[2]、張棟[3]、張敏[4]、占昕[5]等利用層次分析法，分別對(duì)雁棲河、潮河、河北山區(qū)森林、閩江河口濕地保護(hù)區(qū)等地的自然性進(jìn)行定量研究。前人的研究方法主要為層次分析法，研究對(duì)象多數(shù)為河流和森林等生態(tài)系統(tǒng)，而對(duì)景觀自然性的研究較少。景觀的自然性及其評(píng)價(jià)是景觀管理和自然保護(hù)的重要課題[6]，也可作為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和景觀規(guī)劃的參考[7-10]。如何選擇科學(xué)的研究方法、構(gòu)建合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)景觀自然性進(jìn)行評(píng)價(jià)是目前需要解決的問(wèn)題。

層次分析法是一種定性與定量結(jié)合的賦權(quán)方法，但存在主觀性過(guò)強(qiáng)的缺點(diǎn)。為了兼顧主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)，本文在層次分析法的基礎(chǔ)上引用了信息熵模型，利用綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行權(quán)重賦值，可以在一定程度上減少因主觀成分過(guò)強(qiáng)或數(shù)據(jù)差異過(guò)大而產(chǎn)生的誤差。松嫩平原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，抗干擾能力差。近年來(lái)人類對(duì)自然環(huán)境的影響逐漸加強(qiáng)，導(dǎo)致松嫩平原生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，主要表現(xiàn)為土地沙化和濕地鹽漬化[11]。本文以松嫩平原西部為研究區(qū)域，對(duì)松嫩平原西部的景觀自然性及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，探究松嫩平原的景觀自然性可以作為人類開發(fā)、改造自然環(huán)境的依據(jù)和診斷，從而引導(dǎo)人類更加科學(xué)、有效地保護(hù)自然。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

松嫩平原西部坐標(biāo)為43°59′—48°33′E，121°37′—126°39′N(圖1)，總面積為1.01×105km2，氣候?yàn)橹袦貛Т箨懶园霛駶?rùn)半干旱季風(fēng)氣候，地貌類型以山前傾斜平原、低平原以及部分河谷平原為主[12]。主要土地利用類型為森林、草地、濕地、農(nóng)田，優(yōu)勢(shì)景觀為農(nóng)田景觀。土壤類型主要為黑土、黑鈣土、栗鈣土、草甸土、鹽堿土、風(fēng)沙土以及沼澤土[13]。主要植被類型為虎尾草群落、堿茅群落、蘆葦群落以及羊草群落[14]，植被覆蓋率較高。主要城市包括白城市、松原市、大慶市、齊齊哈爾市。人口總數(shù)為1 731萬(wàn)人(2015年)，人口密度較大。經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，GDP總量為8 155億元(2015年)。產(chǎn)業(yè)以農(nóng)業(yè)、制造業(yè)為主，是我國(guó)重要的商品糧基地。1981年至今依次設(shè)立了莫莫格、向海、扎龍、大布蘇狼牙壩、查干湖5個(gè)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理過(guò)程

本文以探究松嫩平原西部不同區(qū)域景觀自然性狀態(tài)為目的，采用網(wǎng)格分析法，考慮到網(wǎng)格劃分過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大，而網(wǎng)格劃分較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果粗略。景觀尺度一般劃分為4個(gè)尺度等級(jí)，即1～106 km2為小尺度，106～1 010 km2為中尺度，1 010～1 012 km2為大尺度，大于1 012 km2為巨尺度。為兼顧科學(xué)性和可操作性，參考相關(guān)文獻(xiàn)[15]，利用ArcGIS 10.2軟件將研究區(qū)劃分為155個(gè)網(wǎng)格單元。網(wǎng)格大小為625 km2，研究區(qū)邊界地區(qū)的網(wǎng)格面積略大或略小于625 km2。本文的景觀尺度處于中尺度，能表示具體區(qū)域的變化，是松嫩平原西部較為適宜的景觀自然性評(píng)價(jià)尺度。

圖1 研究區(qū)位置

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于1985年、2000年、2015年的Landsat TM/OLI遙感數(shù)據(jù)。首先利用ENVI軟件對(duì)遙感影像的5，4，3波段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，并對(duì)合成的遙感影像進(jìn)行前期處理。然后用1∶10萬(wàn)地形圖對(duì)其進(jìn)行糾正。最后對(duì)其進(jìn)行目視解譯并提取耕地、林地、草地、濕地等土地利用類型。采用抽樣統(tǒng)計(jì)精度驗(yàn)證法，在野外設(shè)立驗(yàn)證點(diǎn)，并結(jié)合高分辨率遙感影像對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，最終解譯精度達(dá)到90.7%以上，基本可以滿足本文的研究需求。

道路數(shù)據(jù)來(lái)源于1∶50萬(wàn)黑龍江省、吉林省公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的道路要素圖。人口、GDP數(shù)據(jù)來(lái)源于各地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒。利用SPSS軟件對(duì)各縣、市的人口、GDP數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在ArcGIS 10.2中將其與劃分的155個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行疊加、計(jì)算，最終得到1985—2015年松嫩平原西部各網(wǎng)格的人口密度與GDP數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 在參考國(guó)內(nèi)外自然性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，以科學(xué)性、整體性、代表性、可量化性、層次性為主要原則，構(gòu)建了以景觀指數(shù)、土地利用類型、人類干擾為主體的綜合評(píng)價(jià)體系。景觀指數(shù)是對(duì)景觀格局進(jìn)行定量分析的重要工具，研究景觀變化必然要用到相應(yīng)的景觀指數(shù)。土地利用類型也是衡量景觀自然狀態(tài)的重要依據(jù)，土地利用和土地覆蓋變化是影響景觀結(jié)構(gòu)、功能及動(dòng)態(tài)的最普遍的主導(dǎo)因素之一，同時(shí)也是景觀生態(tài)學(xué)和全球生態(tài)學(xué)中極重要和頗具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域之一[16-17]。由于人類活動(dòng)對(duì)景觀影響的普遍性與深刻性，在作為人類生存環(huán)境的各種景觀中，人類活動(dòng)對(duì)景觀演化起著主導(dǎo)作用[18]，因此在評(píng)價(jià)指標(biāo)中加入了人類干擾相關(guān)因素，如人口、GDP等。

評(píng)價(jià)體系包括目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則層(B)、指標(biāo)層(C)3個(gè)層次。

其中目標(biāo)層為景觀自然性評(píng)價(jià)(A)，準(zhǔn)則層包括壓力指標(biāo)(B1)、狀態(tài)指標(biāo)(B2)、響應(yīng)指標(biāo)(B3)。在PSR模型的基礎(chǔ)上，向下劃分出13個(gè)指標(biāo)。指標(biāo)層包括人口(C1)、GDP(C2)、道路密度(C3)、人為干擾度(C4)、景觀多樣性(C5)、景觀均勻度(C6)、破碎化程度(C7)、景觀優(yōu)勢(shì)度(C8)、景觀形狀指數(shù)(C9)、景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[19](C10)、連通性(C11)、NDVI指數(shù)(C12)、自然景觀比例(C13)。

1.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定及評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建 本文采用主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)法。

在主觀權(quán)重的確定上，使用的方法是層次分析法(AHP)，本文利用yaahp 0.5.3軟件進(jìn)行賦值，首先，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型確立后構(gòu)建判斷矩陣，采用專家打分法，對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)重要程度進(jìn)行對(duì)比賦值，賦值方法為1～9標(biāo)度法。通過(guò)層次單排序與層次總排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，4個(gè)判斷矩陣CR均小于0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

同時(shí)，本文利用信息熵模型計(jì)算客觀權(quán)重。1948年，香農(nóng)在熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)上提出了信息熵公式，他認(rèn)為，任何信息都存在冗余，冗余大小與信息中每個(gè)符號(hào)(數(shù)字、字母或單詞)的出現(xiàn)概率或者說(shuō)不確定性有關(guān)。信息熵模型的基本思想為：評(píng)價(jià)因子差異程度的大小能夠反映該因子在整個(gè)綜合評(píng)價(jià)體系中的地位，而評(píng)價(jià)因子差異程度的大小可以利用信息熵進(jìn)行度量[20]。

分別利用層次分析法和信息熵模型計(jì)算出評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重、客觀權(quán)重。最后利用綜合評(píng)價(jià)法將二者進(jìn)行結(jié)合，公式為

W=αw主觀權(quán)重+(1-α)w客觀權(quán)重

式中：W為綜合權(quán)重值。其中；0≤α≤1，本文中取α=0.7。

計(jì)算后得到的綜合權(quán)重見表1，其中權(quán)重值較高的指標(biāo)有破碎化程度、景觀優(yōu)勢(shì)度、自然景觀比例、GDP。

確定綜合權(quán)重后，利用多因子加權(quán)評(píng)價(jià)模型對(duì)松嫩平原西部景觀自然性進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

式中：N為景觀自然性值；Wi為因子i的綜合權(quán)重值；Pi為標(biāo)準(zhǔn)化處理后第i項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值。

表1 綜合評(píng)價(jià)法所得權(quán)重值

2 結(jié)果與分析

2.1 松嫩平原西部景觀自然性評(píng)價(jià)

從整體上看，1985年、2000年、2015年松嫩平原西部的景觀自然性分別為0.313 7，0.278 1，0.269 8，呈不斷降低趨勢(shì)，1985—2000年下降率為11%，2000—2015年下降率為3%(圖2)。下降的主要原因是壓力指標(biāo)的變化，1985—2000年、2000—2015年兩個(gè)時(shí)期的壓力指標(biāo)分別上升了47%，9%(圖2)。而壓力指標(biāo)中增長(zhǎng)最快的是GDP指標(biāo)，兩個(gè)時(shí)期的GDP增長(zhǎng)率分別為749%和368%。其次為響應(yīng)指標(biāo)的變化，1985—2000年、2000—2015年兩個(gè)時(shí)期的響應(yīng)指標(biāo)分別下降了7.77%，1.30%。

圖2 1985-2015年各指標(biāo)及景觀自然性值

從地區(qū)看，以生態(tài)保護(hù)為目的的自然保護(hù)區(qū)的景觀自然性整體上高于城市景觀自然性。1985—2015年，4個(gè)城市中僅有大慶市的景觀自然性呈上升狀態(tài)，其余3個(gè)城市的景觀自然性均有不同程度的下降(表2)。在5個(gè)保護(hù)區(qū)中，扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)始終是景觀自然性值最高的地區(qū)，并且該保護(hù)區(qū)的景觀自然性呈上升狀態(tài)，1985—2015年的上升率為0.46%。莫莫格國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)、查干湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的景觀自然性呈先上升、后下降狀態(tài)(表2)。莫莫格國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的景觀自然性在1985—2000年的上升率為9.86%，在2000—2015年的下降率為27.84%。查干湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的景觀自然性在1985—2000年的上升率為4.17%，在2000—2015年的下降率為16.21%。向海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的景觀自然性值下降最快，下降率為34.32%。大布蘇狼牙壩國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的景觀自然性在1985—2015年的下降率為14.73%。

為探究松嫩平原西部景觀自然性的空間分異規(guī)律，利用ArcGIS 10.2軟件，將松嫩平原西部三年各個(gè)網(wǎng)格的景觀自然性值進(jìn)行克里金插值，得到松嫩平原西部景觀自然性空間分布圖(圖3)。

表2 松嫩平原西部主要城市及自然保護(hù)區(qū)景觀自然性值

圖3 松嫩平原西部景觀自然性空間分布

由圖3可知，松嫩平原西部景觀自然性值較高的區(qū)域集中在研究區(qū)南部，以扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為中心向四周遞減。

1985年景觀自然性值最高的地區(qū)為扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)及其北部，為0.197 5。這一區(qū)域自然景觀比例較高，為60.35%，植被覆蓋率較高，NDVI值為0.40，濕地是這一區(qū)域的優(yōu)勢(shì)景觀，濕地率為28.29%。其次為向海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)及其南部，為0.188 8，這一區(qū)域人口密度為15.6人/km2，人口稀少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，NDVI值為0.29，自然景觀比例為66.12%。1985年景觀自然性最低值出現(xiàn)在松原市扶余縣，為0.117 0，這一區(qū)域的優(yōu)勢(shì)景觀為耕作景觀，耕地率為76.00%。

2000年景觀自然性值最高的地區(qū)為莫莫格國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)中部及其北部，為0.211 6。這一區(qū)域自然景觀比例為58.27%，其中濕地率為20.80%、草地率為13.25%。2000年松嫩平原西部整體人為干擾值為0.591 7，而該區(qū)域人為干擾值為0.439 4，說(shuō)明該區(qū)域受人為干擾程度較低。其次為扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)中部及其北部，為0.171 6，這一區(qū)域自然景觀比例為65.79%，連通性為2.55，但該區(qū)域人口密度和GDP都高于松嫩平原西部整體平均值，導(dǎo)致自然性下降。2000年景觀自然性最低值出現(xiàn)在松原市長(zhǎng)嶺縣附近，為0.109 4。這一區(qū)域自然景觀比例為11.64%，NDVI指數(shù)較小，為0.101 3，耕地率為76.67%。

2015年景觀自然性值最高的地區(qū)為扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)東部，為0.222 5。該區(qū)域自然景觀比例為76.60%，其中濕地率為44.73%，草地率為28.69%，NDVI值為0.336 5，高于平均值0.263 7。2015年景觀自然性最低值出現(xiàn)在白城市、齊齊哈爾西部及白城南部，分別為0.090 0，0.100 0，0.103 0，這些區(qū)域均為人類活動(dòng)強(qiáng)度較高的地區(qū)，優(yōu)勢(shì)景觀為城市景觀、農(nóng)業(yè)景觀，耕地率分別為79.28%，84.71%，77.00%。

2.2 松嫩平原西部景觀自然性的動(dòng)態(tài)變化

利用ArcGIS 10.2軟件，將1985—2000年、2000—2015年、1985—2015年3個(gè)時(shí)段的景觀自然性變化值進(jìn)行克里金插值，得到松嫩平原西部景觀自然性動(dòng)態(tài)變化圖(圖4)。

圖4 1985-2015年松嫩平原西部景觀自然性動(dòng)態(tài)變化

研究區(qū)大部分區(qū)域景觀自然性呈下降狀態(tài)，僅少數(shù)區(qū)域景觀自然性呈上升狀態(tài)，這些區(qū)域集中在自然保護(hù)區(qū)及保護(hù)區(qū)附近地區(qū)。1985—2000年，景觀自然性上升的地區(qū)主要集中在研究區(qū)中部的莫莫格國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，而景觀自然性下降的地區(qū)主要有向海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和齊齊哈爾中部地區(qū)。2000—2015年，景觀自然性上升的地區(qū)主要為扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、莫莫格國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和松原部分地區(qū)，景觀自然性下降的地區(qū)主要為齊齊哈爾南部地區(qū)。

1985—2015年，景觀自然性上升的地區(qū)僅有扎龍國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)及保護(hù)區(qū)以東、莫莫格國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)、大慶南部地區(qū)、松原少數(shù)地區(qū)，其余地區(qū)均呈下降趨勢(shì),尤以齊齊哈爾中部及南部、白城西部及南部下降最快。

2.3 松嫩平原西部景觀自然性的空間聚集性分析

利用Geoda軟件，距離閾值設(shè)為26 km，對(duì)1985年、2000年、2015年的景觀自然性值進(jìn)行全局Moran′sI和局部空間自相關(guān)分析。3個(gè)時(shí)期的全局Moran′sI指數(shù)分別為0.036 9，0.052 1，0.011 4，呈先上升后下降趨勢(shì)。從空間分布上看，松嫩平原西部空間自相關(guān)結(jié)果的南北差距較大(圖5)。高—高自相關(guān)類型主要集中在研究區(qū)北部，特別是扎龍國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)及其周邊區(qū)域，表明該保護(hù)區(qū)自然性值與周圍區(qū)域自然性值都較高，空間差異性小，呈空間正相關(guān)。低—低自相關(guān)類型主要集中在研究區(qū)南部，表明研究區(qū)南部自然性值較低，空間差異性小，呈空間正相關(guān)。

圖5 松嫩平原西部景觀自然性空間分布

從數(shù)量上看，高—高自相關(guān)類型、低—低自相關(guān)類型均呈先增加，后減少的變化趨勢(shì)(表3)。結(jié)合3個(gè)時(shí)期的克里金插值圖可知，1985年景觀自然性最高值出現(xiàn)在扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，隨著莫莫格國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)自然性的上升，2000年景觀自然性最高值出現(xiàn)在莫莫格國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)兩個(gè)區(qū)域，故這一時(shí)期高—高自相關(guān)類型的數(shù)量達(dá)到最高值，2015年景觀自然性最高值僅出現(xiàn)在扎龍國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，故高—高自相關(guān)類型的數(shù)量相應(yīng)降低。1985—2000年期間，研究區(qū)北部大部分地區(qū)景觀自然性均呈下降狀態(tài)，低—低自相關(guān)類型的數(shù)量隨之上升，而2000—2015年期間，隨著松原市長(zhǎng)嶺縣等地景觀自然性值的上升，低—低自關(guān)類型數(shù)量也隨之減少。低—高自相關(guān)類型呈逐年增加趨勢(shì)，高—低自相關(guān)類型呈逐年減少趨勢(shì)。無(wú)空間自相關(guān)類型呈先減少、后增加趨勢(shì)。

表3 1985-2015年研究區(qū)局部空間自相關(guān)類型統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

(1) 景觀自然性受景觀破碎度、景觀優(yōu)勢(shì)度、自然景觀比例、GDP這4個(gè)因子的影響較大，其中自然景觀比例所占的權(quán)重值最高，增加自然景觀的占比是提高景觀自然性的關(guān)鍵。

(2) 松嫩平原西部景觀自然性呈逐年下降趨勢(shì)，其中1985—2000年下降速率最快，2000—2015年下降率減慢，說(shuō)明21世紀(jì)后推出的鹽堿地生態(tài)改良、禁牧休牧等措施產(chǎn)生了一系列成效。景觀自然性下降的原因主要是壓力指標(biāo)的上升和響應(yīng)指標(biāo)的下降，日后的工作重點(diǎn)應(yīng)以降低人類干擾為主。

(3) 景觀自然性值較高且呈上升狀態(tài)的地區(qū)主要為自然保護(hù)區(qū)及保護(hù)區(qū)周邊地區(qū)，如扎龍國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)及保護(hù)區(qū)以東，莫莫格國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)等。而人類活動(dòng)密集的城市景觀自然性較低。造成這種差異的原因主要是自然保護(hù)區(qū)景觀的響應(yīng)指標(biāo)較高，而城市景觀的壓力指標(biāo)較高。

(4) 松嫩平原西部景觀自然性的空間自相關(guān)結(jié)果南北差異較大，高—高自相關(guān)類型、低—低自相關(guān)類型均呈先增加，后減少的變化趨勢(shì)。

本文從景觀指數(shù)、土地利用類型、人類干擾三方面探討松嫩平原西部景觀自然性變化。影響一個(gè)地區(qū)景觀自然性的因素還有很多，如生物因素、致災(zāi)因子等，這些因素的數(shù)據(jù)目前難以獲取而不能準(zhǔn)確定量化，如何將這些因素定量化、探究這些因素對(duì)景觀自然性的影響可作為未來(lái)研究的重點(diǎn)。同時(shí)，本文僅對(duì)松嫩平原西部景觀自然性及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，未對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如何科學(xué)、有效地驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果也是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。